核電廠主蒸汽疏水管線隔離閥閥座斷裂分析

羅 楊，何 穎

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

國內(nèi)某核電廠大修期間進(jìn)行蒸發(fā)器二次側(cè)環(huán)路保壓試驗(yàn)時(shí)，3 個(gè)環(huán)路均出現(xiàn)無法保壓現(xiàn)象。故障排查后發(fā)現(xiàn)3 個(gè)環(huán)路的隔離閥均出現(xiàn)閥座斷裂和閥瓣受損的情況。閥門為氣動(dòng)截止閥，閥座和閥瓣材料選用鎳基合金，閥瓣材料為HIP 鎳基合金（Gr.5），閥座材料為HIP 鎳基合金（Gr.4）。為進(jìn)一步研究該共性問題的失效機(jī)理，從宏觀檢查和表面微觀形貌進(jìn)行分析，提出解決辦法。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

閥瓣密封面存在多處明顯損傷，損傷位置位于密封面圓周方向約132°角度范圍內(nèi)，其中約76°范圍內(nèi)損傷較為嚴(yán)重。損傷部位呈扇形分布，下部存在疏松狀金屬堆積，上部呈現(xiàn)明顯的尖銳狀，底部較為光滑，未見明顯腐蝕特征。損傷部位周圍呈現(xiàn)白亮色，其他位置均呈現(xiàn)黑色。

閥座與墊圈接觸部位存在斷裂情況，斷裂位置位于閥座圓周方向約140°范圍內(nèi)，其中閥座斷裂件位于約78°角度范圍內(nèi)，緊鄰斷裂位置存在一處明顯裂紋。斷裂位置對應(yīng)部位的閥座密封面存在損傷情況，其中圓周方向上與斷裂件位置相同部位處損傷較為明顯，其他部位損傷較輕微。除上述位置外，密封面未見損傷情況。

閥座斷口相對平齊，未見明顯的宏觀塑性變形，將斷裂件和閥座拼合，拼縫基本吻合。體式顯微觀察發(fā)現(xiàn)，斷口靠近石墨墊圈側(cè)存在一定寬度的黑色覆蓋層，且存在多處臺(tái)階，該側(cè)應(yīng)為啟裂部位。通過對比斷口和未斷裂部位的截面形貌，啟裂位置處于閥座結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角部位，此處為應(yīng)力集中部位。

1.2 化學(xué)成分分析

對閥瓣和閥座取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 20123—2006 及GB/T 223.5—2008，測試結(jié)果見表1。閥瓣和閥座化學(xué)成分接近于ASTM A494/A494M—2017a 中Ni-Cr 系列CY40 材料成分，無明顯異常。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 wt.%

1.3 金相檢驗(yàn)

對閥瓣和閥座分別截取試樣，試樣經(jīng)鑲嵌、預(yù)磨、拋光，然后用王水溶液浸蝕后，進(jìn)行閥瓣和閥座組織分析和閥瓣沖蝕形貌觀察，檢測標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 13299—1991。金相檢驗(yàn)結(jié)果見圖1，閥瓣沖蝕坑底附近部位邊部和心部金相組織為白色γ 基體+灰色細(xì)小的γ′相+較多黑色塊狀碳化物，及少量白色（γ+γ′）共晶。閥座斷裂部位邊部和心部金相組織與閥瓣基本一致，可見較多原始粉末輪廓，輪廓內(nèi)可見殘留枝晶組織。閥瓣沖蝕形貌觀察結(jié)果顯示，閥瓣沖蝕部位上部形貌，損傷部位上部密封面較為光滑，未見損傷情況。閥瓣沖蝕部位局部形貌基本呈現(xiàn)下大上小，沖蝕方向與內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)方向一致。閥座密封面未見損傷，近密封面處存在一處裂紋。閥座斷口處斷口相對平齊。

圖1 閥瓣和閥座金相組織

1.4 硬度試驗(yàn)

在閥瓣和閥座上取樣，進(jìn)行密封面洛氏硬度試驗(yàn)，檢測標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 231.1—2009，表2 為硬度試驗(yàn)結(jié)果。表明閥瓣和閥座密封面的硬度較為均勻，均值分別為55.0 HRC 和48 HRC，硬度差值為8.2 HRC。NB/T 47044—2014 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，閥瓣和閥座的密封面之間應(yīng)保持3～5 HRC 硬度差，實(shí)際差值已經(jīng)明顯超出該標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 硬度檢驗(yàn)結(jié)果HRC

在金相試樣上平行密封面位置進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，檢測標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 4340.1—2009，閥瓣正常部位和沖蝕部位顯微硬度較為均勻，平均值均在600 HV 左右，閥座密封面顯微硬度較為均勻，平均值在546 HV。

1.5 斷口微觀分析

對閥座斷口進(jìn)行微觀形貌分析，測試標(biāo)準(zhǔn)為JY/T 010—1996。結(jié)果顯示，啟裂區(qū)存在多處臺(tái)階，表面覆蓋一層黑色產(chǎn)物；擴(kuò)展區(qū)和終斷區(qū)主體為沿粉末原始輪廓脆性開裂的斷口特征。對閥座斷口啟裂區(qū)黑色覆蓋物進(jìn)行能譜分析，黑色覆蓋物主要為C 和少量的O、Si、Fe、Ni 等元素。從檢測結(jié)果分析該覆蓋物為膨脹石墨。

1.6 損傷區(qū)微觀分析

對閥瓣密封面和閥座密封面損傷部位表面進(jìn)行微觀形貌分析，測試標(biāo)準(zhǔn)為JY/T 010—1996，結(jié)果見圖2，顯示沖蝕形貌方向與介質(zhì)流動(dòng)方向一致。

圖2 閥瓣及閥座損傷微觀觀察結(jié)果

2 分析與討論

本次閥座和閥瓣材料均選用鎳基合金，化學(xué)成分接近于標(biāo)準(zhǔn)ASTM A494/A494M—2017a 中Ni-Cr 系列CY40，該材料廣泛用于閥門密封面部位。因此，從閥門密封面材料選擇來看，符合閥門通用選材要求。

理化檢驗(yàn)結(jié)果分析得知，閥座材料組織中存在較多的原始粉末輪廓和黑色塊狀碳化物，在粉末內(nèi)存在較多殘留枝晶。對于粉末冶金部件，顯微組織中不應(yīng)再殘留較多的粉末輪廓，否則將明顯降低粉末間結(jié)合力。這種結(jié)合結(jié)構(gòu)連同黑色塊狀碳化物和殘留枝晶一起，會(huì)顯著降低部件整體的抗沖擊性能。閥座斷口微觀特征主體表現(xiàn)為裂紋沿著粉末輪廓擴(kuò)展，這種裂紋擴(kuò)展形式與材料組織特征吻合，說明它的斷裂與閥座材料組織不良有關(guān)。從宏觀檢查和表面微觀形貌分析結(jié)果來看，閥瓣和閥座密封面均存在明顯的沖蝕痕跡，沖蝕方向和閥門開啟狀況下內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)方向一致。從宏觀分析看，閥座斷裂區(qū)域和閥瓣、閥座沖蝕部位基本吻合。據(jù)此判斷，閥座因組織不良，在閥門動(dòng)作產(chǎn)生的數(shù)次沖擊力作用下首先發(fā)生斷裂失效，進(jìn)而引起閥瓣和閥座間的密封間隙變化。當(dāng)閥門閉合后，由于密封間隙變化，導(dǎo)致疏水可以從高壓側(cè)（閥門入口側(cè)）經(jīng)間隙向低壓側(cè)（閥門出口側(cè)）噴射出去，對間隙兩側(cè)金屬構(gòu)成沖蝕。

3 結(jié)論及建議

（1）閥座和閥瓣材料滿足閥門通用選材要求；化學(xué)成分接近于ASTM A494/A494M—2017a 中CY40 材料；閥瓣和閥座材料金相組織為白色γ 基體+灰色細(xì)小的γ′相，組織中存在較多黑色塊狀碳化物，并可見原始粉末輪廓和少量的白色（γ+γ′）共晶，輪廓內(nèi)可見殘留枝晶組織；閥座和閥瓣密封面硬度分布均勻，兩者之間差值較大，差值超過NB/T 47044—2014 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（2）閥座斷口整體表現(xiàn)為脆性開裂特征，材料脆性大，抗沖擊性能差。這種較差的力學(xué)性能與材料的顯微組織不良有關(guān)。閥瓣和閥座密封面損傷性質(zhì)為沖蝕損傷，它是在閥座閥瓣開裂后，高壓疏水快速通過密封面的過程中形成的。

針對以上結(jié)論，需在制造廠生產(chǎn)階段嚴(yán)格控制閥門產(chǎn)品質(zhì)量，通過合金成分、HIP 工藝以及后續(xù)熱處理控制，避免材料中存在較多原始粉末輪廓、過多碳化物和枝晶組織。